載重汽車平衡懸架橡膠軸承非線性有限元分析?

王 軍，劉世忠，盧效珍

（1.太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學交通與物流學院，山西 太原030024；3.太原江鈴重汽有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

重型載重汽車雙聯驅動后橋后懸架普遍采用平衡懸架結構，該結構能保證車輛在不平道路上行駛時兩個車橋的垂直載荷在任何情況下都相等，各輪胎有良好的接地性，不會產生個別車輪懸空的情況。平衡懸架的平衡軸能夠有效減輕自身質量，提高承載能力，同時對整車的操縱穩定性、平順性、高速行駛安全性等主要性能均有較大影響［1］。

1 載重汽車平衡懸架橡膠軸承的結構及特點

傳統的平衡懸架的軸承為剛性軸承，耐磨性較差，同時需定期檢查潤滑油脂，且需要有加油口、通氣口、油槽密封及防塵等結構，導致其密封性差，給安裝、維護及保養造成困難，同時存在結構復雜、加工成本高、運行時噪聲較大等問題［2］。用橡膠軸承代替剛性軸承，通過橡膠本身的扭轉變形來實現平衡懸架的和諧運動關系，徹底避免了原有結構平衡懸架軸與雙金屬襯套相互摩擦帶來的零部件磨損的弊端；另外，由于平衡軸橡膠軸承為橡膠阻尼結構，可以衰減各方向的振動，特別對高頻振動的減振效果較好，從而能夠有效地降低整車的沖擊、振動和噪聲；每車平衡軸橡膠軸承數量由原來的4件變為2件，進一步簡化了平衡懸架系統的結構及裝配工藝；安裝時不需要加注潤滑油脂，只在裝配時涂抹專用潤滑液，甚至可以用肥皂水替代，不但降低了成本，而且大大提高了系統的可靠性及使用壽命。

橡膠軸承是由兩塊半圓鋼板和橡膠組成的，半圓鋼板的內表面和外表面的弧面上有橡膠層，且在襯套的一處帶有接縫，橡膠軸承的內、外弧面帶有環形凸起［3］，可近似視為管狀阻尼結構［4］。橡膠軸承在斷開式平衡軸上的安裝位置如圖1所示。

2 橡膠的非線性本構理論

對橡膠進行分析時，一般認為橡膠是不可壓縮的超彈性材料，對橡膠材料應變能進行分析的函數有Neo－Hookean模型、Yeoh模型、Mooney－Rivlin模型等，其中Mooney－Rivlin模型最為常用，其表達式為：

圖1 橡膠軸承在斷開式平衡軸上的安裝位置

3 橡膠軸承有限元分析

橡膠材料具有材料非線性、幾何非線性等非線性特點，本文采用ANSYS有限元方法對橡膠軸承進行分析。

定義鋼板和橡膠皆為各向同性結構材料，橡膠采用Mooney－Rivlin模型，Solid185單元；鋼板彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比υ＝0.3，采用Solid45單元。

采用映射網格劃分，先對2D平面模型進行網格劃分，然后拉伸得到3D有限元模型。

對模型內表面施加固定約束，外表面施加0.005 m的徑向位移。建立的橡膠軸承有限元模型如圖2所示。

4 結果及討論

圖3為橡膠軸承的位移云圖，可以看出橡膠軸承的最大位移為0.003 2m，結構外側橡膠發生了壓縮變形，可有效緩沖平衡軸的振動。圖4為橡膠軸承的應力云圖，最大應力值為1.63MPa，在橡膠材料的許用應力范圍內。

圖2 橡膠軸承有限元模型

圖3 橡膠軸承的位移云圖

圖4 橡膠軸承的應力云圖

5 結論

采用ANSYS軟件，建立了載重汽車平衡懸架橡膠軸承的三維有限元模型，計算得出位移、應力分布，結果表明該結構受力合理，且可以起到減少懸架振動的作用。

［1］張建振，常連霞，馬文松.平衡懸架失效模式與影響的有限元分析［J］.汽車技術，2009（10）：9－12.

［2］武小衛，馬生平，胡波，等.汽車后懸架平衡軸的橡膠軸承：中國，200920179758.0［P］.2010－8－25.

［3］馬文松.平衡軸免維護橡膠軸承結構：中國，200620029448.7［P］.2007－10－10.

［4］戴德沛.阻尼減振降噪技術［M］.西安：西安交通大學出版社，1986.